光谱成像技术能够同时获取被测物体的二维空间及一维光谱信息，在科学检测与研究中发挥着重要作用。传统的高光谱成像系统存在着光学系统复杂、含有精密运动器件、曝光时间长等问题，这些问题极大地限制了其在许多场景的应用。介绍了一种基于旋转衍射机理的快照式高光谱成像系统，通过单次曝光成像和图像重建即可得到待测目标的高光谱信息。提出了一系列的系统设计优化方法以提升系统的成像性能和实用性，通过折衍射混合系统缩短光学系统后截距，通过引入前置光学系统探测远距离目标。实验结果表明，所提出的优化设计方法能够有效提高系统感光能力，提升重建图像的质量。

传统球面以及非球面可供光学系统设计使用的自由度较少。自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束,特别适用于校正非旋转对称系统的像差,同时可以减少系统中元件的数量,减小系统的体积与质量,实现传统光学系统难以实现的系统参数、结构与功能。自由曲面为光学设计的发展注入了巨大潜力,但同时也带来了全新的困难与挑战。概括性地总结了自由曲面成像系统设计的研究现状。简要介绍了自由曲面的常用数学描述与自由曲面成像系统的像差理论,总结了自由曲面成像系统的设计方法,并对自由曲面在各类成像系统中的应用进行概述。最后,对自由曲面成像光学设计的未来发展方向进行了讨论与展望。

海洋中碳循环研究对环境监测和资源探测有着重要意义, 其中研究海水中的碳酸盐又是研究碳循环的重要环节, 目前对海水中碳酸盐的测量没有直接的现场测量手段, 传统海水中碳酸盐的探测主要采用间接探测方法, 例如: 向海水中加入磷酸, 将海水中的碳酸盐转化为二氧化碳, 然后再对二氧化碳进行探测。 拉曼光谱作为一种可用于海水现场测量的技术, 具有对海水中碳酸盐直接检测的潜力, 但要在海洋探测中实际应用主要受限于灵敏度。 针对海水中碳酸盐的检测需求, 搭建了一套近共心腔液体拉曼光谱系统, 利用软件分别对反射率为99.66%(@532 nm)、 直径为25.4 mm的近共心腔的主要参数（腔镜的焦距、 液体样品池两端窗片的厚度及间距）进行了模拟和优化, 模拟结果显示: ①对直径为25.4 mm的腔镜, 焦距为25 mm时, 反射次数最多; ②对液体样品池光学窗片而言, 厚度越小, 样品池中心处的光斑越密集, 总光通量越大; ③液体样品池光学窗片距离越短, 样品池中心处的光斑越密集, 总光通量越大。 基于模拟结果对近共心腔液体拉曼光谱系统优化后, 在实验室配置了一系列浓度的碳酸氢根和碳酸根溶液进行测量, 并对光谱进行二次微分和高斯滤波预处理, 然后提取各浓度下碳酸根和碳酸氢根的峰强信息, 建立定标曲线。 结果显示: 碳酸根、 碳酸氢根的拉曼信号强度与其浓度之间线性关系良好, R2分别为0.994和0.998。 按照3倍信噪比计算系统对碳酸根和碳酸氢根检测限, 结果分别为0.06和0.38 mmol·L-1, 检测限低于海水中碳酸根和碳酸氢根浓度（海水中碳酸根浓度约为0.2 mmol·L-1, 碳酸氢根浓度约为2.0 mmol·L-1）。 该系统灵敏度比目前报道的海洋现场探测拉曼光谱系统提高了10倍以上, 为下一步海水中碳酸根和碳酸氢根的现场探测提供了可能。

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时, 火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象, 直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此, 对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析, 用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计, 有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度, 其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm, 阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm, 绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理, 降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。

提出了依据复原处理来优化设计遥感成像系统的思想。对影响复原处理性能的主要链路环节因素及其关系进行了理论分析、半物理和仿真实验以及正交试验。通过复原问题的数学模型, 从理论上提出相机调制传递函数(MTF)的空间变化性(MTFSV)、数据压缩比(CR)和非均匀性校正残差(NCR)是影响空不变复原处理的主要因素; 然后通过搭建半物理平台和仿真实验, 分析上述因素导致的处理误差对复原图像判读质量的影响; 最后利用组合数学理论, 通过MTFSV、CR、NCR多因素多水平图像复原的正交试验, 建立它们与处理性能间的关系量表。实验结果表明: 在遥感成像系统MTFSV小于10%、CR小于4∶1、NCR不大于3%, 而系统MTFN仅为0.07的情况下, 采用空不变复原处理仍可提高图像MTF面积达70%以上, 且能保持图像信噪比(SNR)不变, 而处理误差所致的图像失真也不会影响判读质量。

为了实现太阳光向激光的转化，设计并搭建了采用两级汇聚系统的实验系统。用菲涅耳透镜作为第1级汇聚系统，以漫反射锥型腔作为第2级汇聚系统，采用Nd∶YAG作为工作物质。在太阳光的入射功率密度大约为950W/m2时，实验最高可得到13.3W的功率输出。用LASCAD软件对谐振腔进行模拟，得到了晶体棒工作时的温度分布和折射率分布；通过改变参量，对系统进行优化，得到了输出功率随腔长和输出镜反射率的变化规律，找到了最佳腔长为142mm，最佳输出镜反射率为91%。结果表明，通过调整腔长和输出镜反射率的大小，找到最佳值，可有效地提高太阳光直接抽运激光器的输出功率。

逐级优化法是根据离轴三反射光学系统结构参数的像差灵敏度系数大小来确定主镜、次镜和第三反射镜的加工次序的。其方法是逐级优化确定各光学零件的加工公差，加工完成后测量光学元件结构参数，代入光学设计软件进行优化，进而确定光学系统的装调公差。采用该方法制定三反射系统的加工装调公差时将加工和设计过程有机的结合起来，在满足设计要求的前提下使系统的加工和装调公差得到最大程度地放松。